论文部分内容阅读
摘 要围绕自动测试系统中的电磁兼容性问题，分析了其电磁环境特点，从电源、金属屏蔽、印制电路板设计、接地质量几个方面对提高自动测试系统电磁兼容性的方法进行研究。
关键词自动测试系统；电磁兼容
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)062-0115-01
自动测试系统利用高性能的电子设备和模块化硬件，结合高效灵活的软件，在有限的资源条件下，来完成各种测试的应用，可适用多种类的电子设备系统级和电路板级的测试和故障诊断。电磁兼容性是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。自动测试系统涉及的信号种类和数量都很多，为满足测量精度高、运行稳定性强、并行效率高等复杂的测试需求，为保障系统中的设备正常工作，必须研究抑制干扰的有效手段，以提高抗干扰能力。因此，要求自动测试系统具有规定的电磁兼容性能力已成为从事其设计、生产、使用有关各方的共识，如何提高自动测试系统的电磁兼容性能力已成为一个非常重要和迫切的研究课题。
1自动测试系统中的电磁环境特点
随着测试要求的不断提高，自动测试系统中的电子设备安装密集度也大幅增加，这些电子设备越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的电路，其在接收目标信号时，也不可避免地收入非目标信号和杂散电磁波动，轻则不能正常工作，重则可能遭致毁损。同时这些工作着的电子设备自身所存在的电信号，也必将成为骚扰别的电子设备的“外来”骚扰源。相对一般的电子测量仪器，自动测试系统有如下一些电磁环境特点：
1）安装密集度高。出于用户需求方面的考虑，自动测试系统中的电子设备安装非常紧凑，大量功能各异的电子设备密集于狭小的空间内，使得设备间的电磁干扰问题特别突出。
2）频谱分布广。自动测试系统充分利用了频率资源，占用了从直流到微波的各个频带。系统中有的设备工作于脉冲方式，覆盖了广阔的频率范围，对周边设备造成强烈干扰。
3）强弱信号共存。自动测试系统要同时处理幅度相差悬殊的强弱多种信号。强信号对外部设备造成干扰，弱信号又对外部干扰极为敏感。
4）共用电源和地线。安装在系统中的大量电子设备往往共用电源和共用地线，使得通过电源耦合和地线耦合造成的相互干扰不能忽视。
5）系统机电结构的回旋余地小。自动测试系统结构坚固，内部冗余空间小。如果在设计后期才对设备进行EMC强化，往往会与系统中设备的原有机械结构或电气布局发生冲突，这时就难以兼顾各方面的技术性能指标。
2自动测试系统中电磁兼容性的措施
自动测试系统的电磁兼容性特点决定了其电磁兼容性设计比一般的电子测量仪器更为复杂和困难，电磁兼容性试验的达标难度更高。要设计符合相关电磁兼容性标准的测试系统，首先要遵循通用的电磁兼容性设计原则，再在这个基础上强化电磁兼容性措施，本文主要在电源、金属屏蔽、印制电路板设计、接地质量几个方面对提高自动测试系统的方法进行探讨。
2.1电磁兼容三要素
产生电磁兼容问题，或者叫做电磁干扰问题，需要同时具备三个条件：干扰源，敏感源，耦合路径。以上三个条件称为电磁兼容的三要素，只要将这三个要素中的一个消除，电磁干扰的问题就不再存在。因此，电磁兼容技术是围绕着这三个要素展开的，通过研究每个要素的特点，提出消除每个要素的技术手段，以及这些技术手段在实际工程中的实现方法。
2.2提高电磁兼容性能的措施
针对电磁兼容的三要素，自动测试系统的电磁兼容所要面对的问题是如何将系统中的电子设备产生的电磁辐射控制为最小；如何把电磁敏感度降低到最小；如何保护系统中的电子设备不受恶劣电磁环境的影响等。下面介绍几种提高测试系统抗干扰性能和抑制其产生电磁干扰的基本技术：
2.2.1电源系统电磁屏蔽
电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电源装配线是引入电网噪音、外界磁场干扰的一条主要途径，同时它还会产生交变磁场和通过分布电容给测控系统本身造成干扰，因此这一部分的电磁兼容问题必须引起足够的重视。电源系统一般包括引线、电源滤波器、开关及其它辅助线路。提高这部分线路的抗干扰能力主要是通过配线方式、安装位置等装配工艺来实现的。
1）电源输入端的电磁屏蔽和电源线滤波。电源线一进入机箱就要直接连接到电源滤波器上，或者采用输入端兼做电源插座的电源滤波器。电源滤波器的安装很有讲究，滤波器的输出线要远离输入线，金属外壳要大面积接地。电源滤波器的输入、输出线应采用绞合屏蔽线，且两者分开走线，不能捆扎在一起，否则滤波后的交流信号中会耦合进干扰信号使滤波器失去作用。
2）电源的整体屏蔽。鉴于电源部分在测试系统中EMC性能方面的重要性，还可以在系统机柜内部把电源主要部分整体屏蔽如滤波器、空气开关、继电器等放在一个与其它部分隔离的机箱内，形成对电源的整体屏蔽。
3）散热风扇的滤波。测试系统机柜一般都安排系统散热风扇，其干扰往往容易被忽视。散热风扇有交、直流二类，因为直流风扇有电刷，易产生干扰噪音，故散热风扇不宜采用直流类。采用交流风扇时，其电源引线是引入干扰的主要途径，因此其电源布线应采用双绞屏蔽，而且最好在进入风扇前经过独立的滤波器滤波。
4）合理走线。首先电源线应集中到同一个专用航空插座上，特殊情况下应采用隔离措施。其次220 V交流进线到电源滤波器的引线距离应尽可能短，因此将滤波器装在后面板的220V进线处最好。否则由于引线为大电压交变信号，其走线过长，则同测试系统中电子设备线路之间的分布电容大，电场干扰严重，交变磁场的影响区域也大。交流的保护地线应单独走线，不应同220V的零、火线一起绞扭并共用一个屏蔽层。
2.2.2金属屏蔽
金属屏蔽是防止空间电磁辐射最基本也是最有效的办法，它的目的是切断电磁波的传播途径。用屏蔽体将干扰源包封起来，可以防止干扰电磁场通过空间向外传播；反之，用屏蔽体将电子设备或模块包封，就可使其免受外界空间磁场的影响。自动测试系统根据各种电子设备及模块在系统中发挥的功能及位置的不同，部分电子设备或模块可采用金属屏蔽。在设计金属屏蔽体的过程中应注意以下几点原则：
1）保证屏蔽层的导电连续性。理论分析和EMC试验都证明，电磁屏蔽体上的细长缝隙将使屏蔽效果大打折扣。因此，金属屏蔽体结构上的所有外部缝隙都要实现连续且有良好的导电接触。而对于直径小于屏蔽机箱厚度的小孔，一般不必担心影响EMC效果。
2）妥善处理金属屏蔽体的各种开口。金属屏蔽体开口主要用来安装插座、开关、按钮、指示灯等。开口较大时，如果难以在所安装器件的前面采取屏蔽措施，也要在器件的后面加装屏蔽层（后置屏蔽法），并对穿过屏蔽层的导线做滤波处理。
3）正确选择和安装金属屏蔽体接插件，解决电缆屏蔽问题。进出金属屏蔽体的线缆如处理不当，会减弱甚至失去金属屏蔽体的屏蔽效能。因此，连接至金属屏蔽体插座的外部线缆可加外屏蔽层，并且线缆的外屏蔽层要和金属屏蔽体的屏蔽层保持导电连续性。安装在金属屏蔽体上的插座要选用符合标准的屏蔽型接插件，金属屏蔽体上安装插座的接触面不能有漆膜或涂塑层等任何绝缘材料。
2.2.3印制电路板电路设计中的电磁兼容性对策
由于印制电路板上的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，信号的频率越来越高，不可避免地会产生电磁兼容性问题。印制电路板电磁兼容性设计的基本原则已有许多文献述及，此处仅介绍一下自动测试系统中常用到的几个具体实用细节：
1）应用多层印制电路板和表面贴装元器件。具有电源层和地线层的4层以上印制电路板的电磁兼容特性优于普通的单、双面印制电路板，在印制电路板设计时应尽可能采用多层板。表面贴装元器件的等效电磁辐射面积显著小于插装式元器件，具有更好的电磁兼容性能。所以多层电路板加表面贴装元器件的组合应当成为测试系统中的印制电路板设计首选。
2）元器件布置。元件在印制电路板排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，应对印制电路板上的元器件分组，把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。一般先按使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组。
3）采用正确的布线策略。印制电路板设计中的布线需要特别强调的是电源线与地线的正确布线。根据印制电路板电流的大小，电源线、地线线条设计的要尽量粗而短，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比。采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。 为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。
2.2.4系统接地质量
在电源、金属屏蔽和印制电路板电路设计这3方面，都必须高度关注地线和接地质量问题。接地设计有两个基本目的：消除各电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形成地环路。如果接地方式不好就会形成环路，造成噪声耦合。自动测试系统设计中若能周密的设计地线系统，往往可以事半功倍，有效地提高系统的电磁兼容性。因为接地可以使电路中的干扰电流回归大地，正确的接地可以有效地抑制干扰信号对其它设备的影响。接地质量首先体现在要正确接地，即选择正确的接地点和接地方式，将系统中各种类型的电子设备加以区分，模拟信号地同数字信号地、强干扰信号地和机壳地分别各自先连接，然后在大地处一点共地；再则是要可靠接地，接地面积要大、接地线要粗而短、接地螺栓要安装紧固，以减小接地电阻，保证低阻抗性质。系统总地线选用铜条比较好，能对电磁干扰进行很好的泄放，保证了系统的正常运行。
3结束语
随着对自动测试系统精度及可靠性要求的提高，电磁兼容性问题变得越来越重要，一定程度上它是限制系统性能进一步提高的的主因素，而且电磁兼容性问题自始至终贯穿于整个研制过程，因此必须充分考虑自动测试系统的电磁兼容性，并通过各种技术措施来消除电磁干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
参考文献
[1]杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证.北京工业出版社,2004.
[2]陈演平.军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术,2008.
关键词自动测试系统；电磁兼容
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)062-0115-01
自动测试系统利用高性能的电子设备和模块化硬件，结合高效灵活的软件，在有限的资源条件下，来完成各种测试的应用，可适用多种类的电子设备系统级和电路板级的测试和故障诊断。电磁兼容性是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。自动测试系统涉及的信号种类和数量都很多，为满足测量精度高、运行稳定性强、并行效率高等复杂的测试需求，为保障系统中的设备正常工作，必须研究抑制干扰的有效手段，以提高抗干扰能力。因此，要求自动测试系统具有规定的电磁兼容性能力已成为从事其设计、生产、使用有关各方的共识，如何提高自动测试系统的电磁兼容性能力已成为一个非常重要和迫切的研究课题。
1自动测试系统中的电磁环境特点
随着测试要求的不断提高，自动测试系统中的电子设备安装密集度也大幅增加，这些电子设备越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的电路，其在接收目标信号时，也不可避免地收入非目标信号和杂散电磁波动，轻则不能正常工作，重则可能遭致毁损。同时这些工作着的电子设备自身所存在的电信号，也必将成为骚扰别的电子设备的“外来”骚扰源。相对一般的电子测量仪器，自动测试系统有如下一些电磁环境特点：
1）安装密集度高。出于用户需求方面的考虑，自动测试系统中的电子设备安装非常紧凑，大量功能各异的电子设备密集于狭小的空间内，使得设备间的电磁干扰问题特别突出。
2）频谱分布广。自动测试系统充分利用了频率资源，占用了从直流到微波的各个频带。系统中有的设备工作于脉冲方式，覆盖了广阔的频率范围，对周边设备造成强烈干扰。
3）强弱信号共存。自动测试系统要同时处理幅度相差悬殊的强弱多种信号。强信号对外部设备造成干扰，弱信号又对外部干扰极为敏感。
4）共用电源和地线。安装在系统中的大量电子设备往往共用电源和共用地线，使得通过电源耦合和地线耦合造成的相互干扰不能忽视。
5）系统机电结构的回旋余地小。自动测试系统结构坚固，内部冗余空间小。如果在设计后期才对设备进行EMC强化，往往会与系统中设备的原有机械结构或电气布局发生冲突，这时就难以兼顾各方面的技术性能指标。
2自动测试系统中电磁兼容性的措施
自动测试系统的电磁兼容性特点决定了其电磁兼容性设计比一般的电子测量仪器更为复杂和困难，电磁兼容性试验的达标难度更高。要设计符合相关电磁兼容性标准的测试系统，首先要遵循通用的电磁兼容性设计原则，再在这个基础上强化电磁兼容性措施，本文主要在电源、金属屏蔽、印制电路板设计、接地质量几个方面对提高自动测试系统的方法进行探讨。
2.1电磁兼容三要素
产生电磁兼容问题，或者叫做电磁干扰问题，需要同时具备三个条件：干扰源，敏感源，耦合路径。以上三个条件称为电磁兼容的三要素，只要将这三个要素中的一个消除，电磁干扰的问题就不再存在。因此，电磁兼容技术是围绕着这三个要素展开的，通过研究每个要素的特点，提出消除每个要素的技术手段，以及这些技术手段在实际工程中的实现方法。
2.2提高电磁兼容性能的措施
针对电磁兼容的三要素，自动测试系统的电磁兼容所要面对的问题是如何将系统中的电子设备产生的电磁辐射控制为最小；如何把电磁敏感度降低到最小；如何保护系统中的电子设备不受恶劣电磁环境的影响等。下面介绍几种提高测试系统抗干扰性能和抑制其产生电磁干扰的基本技术：
2.2.1电源系统电磁屏蔽
电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电源装配线是引入电网噪音、外界磁场干扰的一条主要途径，同时它还会产生交变磁场和通过分布电容给测控系统本身造成干扰，因此这一部分的电磁兼容问题必须引起足够的重视。电源系统一般包括引线、电源滤波器、开关及其它辅助线路。提高这部分线路的抗干扰能力主要是通过配线方式、安装位置等装配工艺来实现的。
1）电源输入端的电磁屏蔽和电源线滤波。电源线一进入机箱就要直接连接到电源滤波器上，或者采用输入端兼做电源插座的电源滤波器。电源滤波器的安装很有讲究，滤波器的输出线要远离输入线，金属外壳要大面积接地。电源滤波器的输入、输出线应采用绞合屏蔽线，且两者分开走线，不能捆扎在一起，否则滤波后的交流信号中会耦合进干扰信号使滤波器失去作用。
2）电源的整体屏蔽。鉴于电源部分在测试系统中EMC性能方面的重要性，还可以在系统机柜内部把电源主要部分整体屏蔽如滤波器、空气开关、继电器等放在一个与其它部分隔离的机箱内，形成对电源的整体屏蔽。
3）散热风扇的滤波。测试系统机柜一般都安排系统散热风扇，其干扰往往容易被忽视。散热风扇有交、直流二类，因为直流风扇有电刷，易产生干扰噪音，故散热风扇不宜采用直流类。采用交流风扇时，其电源引线是引入干扰的主要途径，因此其电源布线应采用双绞屏蔽，而且最好在进入风扇前经过独立的滤波器滤波。
4）合理走线。首先电源线应集中到同一个专用航空插座上，特殊情况下应采用隔离措施。其次220 V交流进线到电源滤波器的引线距离应尽可能短，因此将滤波器装在后面板的220V进线处最好。否则由于引线为大电压交变信号，其走线过长，则同测试系统中电子设备线路之间的分布电容大，电场干扰严重，交变磁场的影响区域也大。交流的保护地线应单独走线，不应同220V的零、火线一起绞扭并共用一个屏蔽层。
2.2.2金属屏蔽
金属屏蔽是防止空间电磁辐射最基本也是最有效的办法，它的目的是切断电磁波的传播途径。用屏蔽体将干扰源包封起来，可以防止干扰电磁场通过空间向外传播；反之，用屏蔽体将电子设备或模块包封，就可使其免受外界空间磁场的影响。自动测试系统根据各种电子设备及模块在系统中发挥的功能及位置的不同，部分电子设备或模块可采用金属屏蔽。在设计金属屏蔽体的过程中应注意以下几点原则：
1）保证屏蔽层的导电连续性。理论分析和EMC试验都证明，电磁屏蔽体上的细长缝隙将使屏蔽效果大打折扣。因此，金属屏蔽体结构上的所有外部缝隙都要实现连续且有良好的导电接触。而对于直径小于屏蔽机箱厚度的小孔，一般不必担心影响EMC效果。
2）妥善处理金属屏蔽体的各种开口。金属屏蔽体开口主要用来安装插座、开关、按钮、指示灯等。开口较大时，如果难以在所安装器件的前面采取屏蔽措施，也要在器件的后面加装屏蔽层（后置屏蔽法），并对穿过屏蔽层的导线做滤波处理。
3）正确选择和安装金属屏蔽体接插件，解决电缆屏蔽问题。进出金属屏蔽体的线缆如处理不当，会减弱甚至失去金属屏蔽体的屏蔽效能。因此，连接至金属屏蔽体插座的外部线缆可加外屏蔽层，并且线缆的外屏蔽层要和金属屏蔽体的屏蔽层保持导电连续性。安装在金属屏蔽体上的插座要选用符合标准的屏蔽型接插件，金属屏蔽体上安装插座的接触面不能有漆膜或涂塑层等任何绝缘材料。
2.2.3印制电路板电路设计中的电磁兼容性对策
由于印制电路板上的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，信号的频率越来越高，不可避免地会产生电磁兼容性问题。印制电路板电磁兼容性设计的基本原则已有许多文献述及，此处仅介绍一下自动测试系统中常用到的几个具体实用细节：
1）应用多层印制电路板和表面贴装元器件。具有电源层和地线层的4层以上印制电路板的电磁兼容特性优于普通的单、双面印制电路板，在印制电路板设计时应尽可能采用多层板。表面贴装元器件的等效电磁辐射面积显著小于插装式元器件，具有更好的电磁兼容性能。所以多层电路板加表面贴装元器件的组合应当成为测试系统中的印制电路板设计首选。
2）元器件布置。元件在印制电路板排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，应对印制电路板上的元器件分组，把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。一般先按使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组。
3）采用正确的布线策略。印制电路板设计中的布线需要特别强调的是电源线与地线的正确布线。根据印制电路板电流的大小，电源线、地线线条设计的要尽量粗而短，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比。采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。 为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。
2.2.4系统接地质量
在电源、金属屏蔽和印制电路板电路设计这3方面，都必须高度关注地线和接地质量问题。接地设计有两个基本目的：消除各电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形成地环路。如果接地方式不好就会形成环路，造成噪声耦合。自动测试系统设计中若能周密的设计地线系统，往往可以事半功倍，有效地提高系统的电磁兼容性。因为接地可以使电路中的干扰电流回归大地，正确的接地可以有效地抑制干扰信号对其它设备的影响。接地质量首先体现在要正确接地，即选择正确的接地点和接地方式，将系统中各种类型的电子设备加以区分，模拟信号地同数字信号地、强干扰信号地和机壳地分别各自先连接，然后在大地处一点共地；再则是要可靠接地，接地面积要大、接地线要粗而短、接地螺栓要安装紧固，以减小接地电阻，保证低阻抗性质。系统总地线选用铜条比较好，能对电磁干扰进行很好的泄放，保证了系统的正常运行。
3结束语
随着对自动测试系统精度及可靠性要求的提高，电磁兼容性问题变得越来越重要，一定程度上它是限制系统性能进一步提高的的主因素，而且电磁兼容性问题自始至终贯穿于整个研制过程，因此必须充分考虑自动测试系统的电磁兼容性，并通过各种技术措施来消除电磁干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
参考文献
[1]杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证.北京工业出版社,2004.
[2]陈演平.军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术,2008.